CC BY
57
УДК 621.791
Е.М. Федосеева, М.Н. Игнатов, А.М. Игнатова,
Т.В. Ольшанская, Н.В. Вылежнева
Пермский государственный технический университет
МИНЕРАЛОГИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Проведен анализ неметаллических включений в сварных соединениях магистральных трубопроводов. Показано, что металлографические исследования в комплексе с микрозондовым спектральным анализом позволяют дать объемное описание минерологии неметаллических включений, идентифицировать их на более высоком уровне принадлежности и значимости. Установлено, что в зависимости от используемых сварочных материалов изменяется загрязненность неметаллическими включениями по объему шва, характер распределения включений и их химический состав. Рекомендовано использование технологии, которая позволяют получать металл шва более чистый по засоренности неметаллическими включениями.
Разрушение трубопроводов на потенциально опасных участках происходит по многим причинам: вследствие нарушения прочности трубопровода (разрыва стенки), вызванного сквозными дефектами; трубопровод разрушается по сварному соединению в результате формирования закалочной мар-тенситной структуры металла шва, а также вследствие образования в нем микротрещин и наличия остаточных напряжений; металлургические дефекты типа закатов и плен в ряде случаев при длительной эксплуатации газо-нефтепроводов могут развиваться и вызывать преждевременное разрушение трубопровода; на прочность трубопровода влияют природные явления и др. Вследствие этого к магистральным трубопроводам предъявляются жесткие требования по механическим характеристикам и эксплуатационным свойствам [1].
С целью повышения качества сварных соединений продолжаются исследования влияния структуры и неметаллических включений на механические и эксплуатационные свойства газо- и нефтепроводов. Неметаллические включения присутствуют в металле шва и основном металле, и хотя они не относятся к числу дефектов сварных швов, тем не менее оказывают заметное влияние на их качество и свойства. В сталях и сварных швах присутствуют неметаллические включения различного характера и состава, наряду с простыми соединениями встречаются включения сложного характера и комплексного строения [2].
Неметаллические включения не имеют когеретной связи с металлом и являются концентраторами напряжений, вследствие чего могут в процессе эксплуатации приводить к образованию более сложных дефектов типа трещин, вызывающих разрушение трубопроводов.
Установлено влияние неметаллических включений как первичного очага зарождения дефекта, приводящего к образованию магистральной трещины и, как следствие, к разрушению трубопровода [6].
В связи с этим изучение природы и минералогии неметаллических включений и влияние их на свойства сварных соединений магистральных трубопроводов является актуальным.
В работе для исследований использовались образцы, выполненные в производственных условиях. Для сварки образцов использована низколегированная сталь Х70 (класс прочности К60), применяемая для сварки магистральных нефте- и газопроводов и обеспечивающая требуемые механические свойства. Химический состав стали и механические свойства1 представлены ниже:
Химический состав стали Х70 [3], мас.%
С Мп Бі Б Р А1 Ті V с ^ЭКВ
0,08- 0,1 1,55- 1,66 0,19- 0,23 0,005- 0,006 0,011- 0,013 0,028- 0,033 0,016- 0,019 0,071- 0,074 0,038- 0,047 0,38- 0,39
Механические свойства стали Х70 [3]
Временное Временное стт, Н/м2 Относительное Ударная Ударная
сопротивление сопротивление удлинение, % вязкость вязкость
вдоль ств, Н/м2 поперек КСУ кси
ств, Н/м2 С, О 0 2 - II С, О 0 6 - II
Дж/см2 Дж/см2
508-602 590-625 480-511 20,5-24,0 190-319 216-258
Сварные соединения выполнены по технологии РД + МПС (табл. 1).
Изучение неметаллических включений проведено металлографическим исследованием и спектральным микрозондовым анализом. При металлографическом изучении на металлографическом микроскопе МИМ-8М было использовано светло- и темнопольное освещение, а также поляризованный свет и косое освещение. Использование этих способов позволяет получать целый ряд дополнительных данных о неметаллических включениях. Наблюдения в темном поле способствует выявлению включений, не различимых при
1 Сертификат качества № 410174. ОАО «Харцызский трубный завод», г. Хар-
цызск (Украина).
обычном наблюдении в светлом поле, дает возможность установить степень прозрачности и истинный цвет включения, а также исследовать внутреннюю структуру прозрачных и полупрозрачных комплексных включений, которая не видна в отраженном свете.
Таблица 1
Технологии сварки низколегированных трубных сталей
Технология сварки Марка стали; размер трубы Свариваемые материалы
Корень шва Заполнение и облицовка
РД + МПС (корень: ручная дуговая сварка; заполняющие и облицовочный слои: полуавтоматическая сварка самозащитной порошковой проволокой) Х70; 1420x15,7 мм ЛБ52У 0 3,2 мм Ш.-208Б 0 2,0 мм
Х70; 1420x15,7 мм «Фокс Цель» 0 4,0 мм «Фокс Цель» Мо 0 4,0 мм Ш.-208Б 0 2,0 мм
Наблюдения в поляризованном свете используются для определения оптических свойств включений, главным образом их анизотропности или изотропности. Изотропные вещества вследствие своей прозрачности в поляризованном свете оказываются освещенными на основном темном поле. Степень их освещенности не изменяется в зависимости от положения объекта. Яркость освещения анизотропного вещества при вращении столика микроскопа будет меняться от полной до потемнения через каждые 90°.
С использованием указанных способов определяли такие признаки включений, как форма, цвет, прозрачность, степень анизотропии, деформируемость. Сопоставление исследуемого включения с эталоном и классификационными таблицами позволило идентифицировать включения на общем уровне.
При металлографическом анализе неметаллических включений особое внимание уделено корню шва, так как он находиться в более жестких условиях в процессе эксплуатации под действием нагрузок. Сварка корня шва выполнена с использованием электродов с основным покрытием (содержат мрамор, магнезит (MgCOз), плавиковый шпат (СаБ2), ферросилиций, ферромарганец, ферротитан и др.) и с использованием электродов с целлюлозным покрытием (содержат целлюлозу и другие органические вещества с небольшим количеством шлакообразующих веществ.
Анализ неметаллических включений проведен с помощью программноаппаратного комплекса «ВидеоТест-Металл 1.0», по ГОСТ 1778 «Металлографические методы определения неметаллических включений», метод П -
подсчет количества и объемного процента включений оксидов и сульфидов и разделение их на группы по площади. По данной методике производится простое разделение включений на оксиды и сульфиды (в сложных включениях классификация производится по преобладанию того или иного типа включения), затем классификация по площади. Программа отображает усредненный результат анализа образцов (табл. 2).
Таблица 2
Анализ объемной доли неметаллических включений в корне шва для стали Х70
№ п/п Сварочные материалы Количество неметаллических включений Доля включений, об. % Вид включений
1 Электроды с основным покрытием 88 0,2699 Отдельные силикаты (рис. 1), сложные включения оксисуль-фиды, оксиды
2 Электроды с целлюлозным покрытием 253 0,5029 Отдельные сложные включения (рис. 3), сульфиды
3 Самозащитная порошковая проволока 75 0,2803 Сульфиды Мп и Бе (рис. 2), мелкие отдельные силикаты, сложные включения оксисульфиды
В корне сварного шва и заполняющих слоях анализировалось не менее пяти полей. При сварке электродами с основным покрытием доля включений составляет 0,2699 об. %, а электродами целлюлозного типа - 0,5029 об. %, что говорит о большей засоренности неметаллическими включениями примерно в два раза сварного шва, выполненного электродами целлюлозного типа.
Кроме того, проведена идентификация неметаллических включений по окраске форме, расположению. Установлено, что характер и размеры силикатов зависят от содержания кислорода, растворенного в металле, а также от скорости затвердевания. Чем меньше скорость затвердевания, тем большей величины образуются включения силикатов.
Силикатные включения в темном поле видимы в виде блестящих частиц, в то время как сульфиды сливаются с основным фоном. Прозрачные включения силикатов в поляризованном свете выглядят светлыми и имеют характерный оптический крест с концентрическими кольцами (рис. 1). Такими же блестящими без оптического креста выглядят некоторые силикатные включения с высоким содержанием закиси железа и закиси марганца.
Рис. 1. Скопление силикатов (поляризованный свет, *730)
В поляризованном свете сравнительно просто отличить в сложных включениях силикатные составляющие от окислов металлов или сульфидов. Каплеобразную форму имеют включения закиси железа, комплексные окси-сульфиды железа, твердые растворы закиси железа с закисью марганца и силикатные стекла, которым присуща правильная шарообразная форма вследствие большой склонности их к преохлаждению [4, 5].
Включения, выделяющиеся в жидком металле, в твердом виде могут иметь кристаллическое строение иногда дендритного характера (например, сульфид марганца). Включения МпБ представляют собой выделения довольно правильной кристаллической формы. При содержании марганца и серы, характерных для промышленных углеродистых сталей, образуются включения, представляющие собой твердый раствор сульфидов с преобладанием МпБ. При уменьшении содержания марганца в стали возможно образование твердого раствора с большим содержанием сульфидов железа. С увеличением содержания БеБ сульфиды приобретают каплеобразную форму, как, например, при сварке самозащитной порошковой проволокой (рис. 2).
Рис. 2. Сульфиды Мп и Бе сложного состава (светлое поле, х730)
Размеры сульфидных включений в значительной степени зависят от скорости затвердевания стали. Чем быстрее проходит металл интервал кристаллизации, тем мельче включения сульфидов.
В связи с большей растворимостью серы в жидкой стали, по сравнению с кислородом, в процессе охлаждения и затвердевания металла сварочной ванны сульфидные включения образуются при более низких температурах, чем оксидные. Поэтому сера может выделяться на уже существующих оксидных включениях с образованием оксисульфидов.
В жидкой стали различные типы включений могут реагировать между собой, образуя сложные включения как по происхождению, так и по своему составу, как это наблюдается при сварке электродами целлюлозного типа (рис. 3).
--------------------------5---------------
. * ‘ .
* / • 1
*
#
Рис. 3. Сложное включение (светлое поле, х730)
Анализ размера и равномерности распределения неметаллических включений проведен по ГОСТ 1778 (табл. 3).
Таблица 3
Распределение неметаллических включений по баллам ПО ГОСТ 1778, сталь Х70
. ОІ .Д Сварочные материалы Оксиды Сульфиды Силикаты
1 Электроды с основным покрытием 3 3 3
2 Электроды с целлюлозным покрытием 4 2 4
3 Сварочная проволока 3 2 3
Наибольший балл включений (4) наблюдается при использовании сварочных материалов с целлюлозным покрытием. Характер распределения включений позволяет говорить об отдельно встречающихся неметаллических включениях в шве с электродами основного типа (рис. 4, а) и скоплении включений в виде цепочек, выделившихся по границам аустенитного зерна (как первичной структуры) в шве с электродами целлюлозного типа (рис. 4, б).
а б
Рис. 4. Содержание неметаллических включений в корневом шве,
*730, сталь Х70: а - электроды ЛБ52У; б - электроды «Фокс Цель»
Проведенный спектральный анализ позволил получить точный химический состав неметаллического включения и идентифицировать его на более высоком уровне минералогического состава, принадлежности и значимости. Так, например, при сварке электродами с основным покрытием в корне шва присутствует включение сложного состава (сложный оксид) (табл. 4, рис. 5).
Таблица 4
Сложный оксид
Элемент Условная концентрация Весовой % Содержание, % Формула Число ионов
М£ К 2,60 18.39 30,49 МдО 12,74
Бі К 4,10 30,29 64,80 БіО2 18,16
Ті К 0,00 0,00 0,00 ТіО2 0,00
V К 0,00 0,00 0,00 V2O5 0,00
Сг К 0,01 0,09 0,14 Сг2О3 0,03
Мп К 0,00 0,00 0,00 МпО 0,00
Бе К 0,46 3,28 4,22 БеО 0,99
Со К 0,00 0,00 0,00 СоО 0,00
№ К 0,04 0,27 0,35 №іО 0,08
О 47,67 50,18
Итоги 100,00
Сумма анионов 50,18
О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Полная шкала 4616 имп._______________________________кэВ|
Рис. 5. Спектр распределения химических элементов
Таким образом, результаты исследований позволяют сделать вывод, что металлографические исследования в комплексе с микрозондовым спектральным анализом позволяют дать объемное описание минерологии неметаллических включений, идентифицировать их на более высоком уровне принадлежности и значимости. Установлено, что в зависимости от используемых сварочных материалов, предусмотренных технологией сварки трубных сталей для магистральных трубопроводов, изменяется загрязненность неметаллическими включениями по объему шва и, как следствие, свойства металла шва. Выявлено скопление включений в виде цепочек, выделившихся по границам аустенитного зерна (как первичной структуры) в шве с электродами целлюлозного типа. Это свидетельствует о целесообразности использования технологии с применением для сварки корневого прохода шва электродами с основным покрытием, что позволяет получать более чистый металл шва по засоренности неметаллическими включениями. Сложные включения типа оксисульфидов встречаются во всех рассмотренных вариантах использования сварочных материалов, наибольшее количество силикатов встречается в корне, выполненном электродами с основным покрытием.
Список литературы
1. Роль трубопроводного транспорта в развитии регионов // Трубопроводный транспорт. - 2009. - № 2(14). - С. 4-5.
2. Лаборатория металлографии / под ред. Б.Г. Лившица, Е.В. Панченко и др. - М.: Металлургия, 1965. - 440 с.
3. Вашуль X. Практическая металлография. Методы изготовления образцов: пер. с нем. - М.: Металлургия, 1988. - 320 с.
4. Сварка в СССР. Т. 2. Теоретические основы сварки, прочности и проектирования. Сварочное производство. - М.: Наука, 1981. - 450 с.
5. Анализ повреждений оборудования и трубопроводов на объектах добычи, переработки и транспорта продукции Оренбургского НГКМ / Н.А. Гафаров, А.В. Митрофанов [и др.] / Российское акционерное общество «Газпром». - М., 2000. - 40 с.
Получено 25.10.2010
